Проницаемость горных пород

Проницаемостью горных пород называют их свойство пропу­скать сквозь себя жидкость и газы. Абсолютно непроницаемых горных пород в природе нет. При соответствующем давлении можно про­давить жидкость и газы через любую горную породу. Однако при существующих в нефтяных и газовых пластах перепадах давления многие породы оказываются практически непроницаемыми для жид­костей и газов. Все зависит от размеров пор и поровых каналов в горной породе.

Проницаемость породы для жидкостей и газов будет тем меньшей, чем меньше размер пор и каналов, соединяющих эти поры в породе.

Поровые каналы в природе условно делятся на три категории: сверхкапиллярные, капиллярные и субкапиллярные.

Сверхкапиллярные каналы имеют диаметр больше 0,5 мм. Жидкость движется в них, подчиняясь общим за­конам гидравлики. Эти каналы имеются в горных породах с круг­лой формой зерен, например, в гравийных породах.

Капиллярные каналы имеют диаметр от 0,5 до 0,0002 мм. При движении в них жидкости проявляются поверхност­ные силы, возникающие на поверхности тел: поверхностное натя­жение, капиллярные силы, силы прилипания и сцепления и т. п. Эти силы создают дополнительные сопротивления движению жидко­сти в пласте, т. е. препятствуют движению, поэтому непрерывное движение в таких каналах возможно только под действием добавоч­ных сил, достаточных для преодоления поверхностных сил.

Субкапиллярные каналы имеют диаметр меньше 0,0002 мм. Поверхностные силы в таких микроскопических каналах настолько велики, что обычно имеющиеся в пластовых условиях движущие силы не в состоянии преодолеть их, поэтому движения жидкости в субкапиллярных каналах практически не происходит.

Жидкость насыщает породу, имеющую субкапиллярную струк­туру, и переходит в связанное с породой состояние, после чего дви­жение ее прекращается.

Породы нефтяных и газовых залежей в основном имеют капил­лярные каналы. Поэтому при движении нефти и газа в пласте дей­ствуют силы, препятствующие этому движению.

Непроницаемые перекрытия нефтяных и газовых пластов, обычно состоящие из глинистых пород, имеют субкапиллярные поры и каналы, и движения жидкости в них не происходит.

Прямой зависимости между величинами пористости и проницае­мости горных пород нет. Глины, например, могут иметь высокую абсолютную пористость, достигающую 40—50%, однако субкапил­лярные поровые каналы делают их непроницаемыми. Песчаники и известняки часто имеют пористость, не превышающую 8—15%, но отличаются высокой проницаемостью, так как структура поро-вого пространства у них характеризуется развитием капиллярных и сверхкапиллярных поровых каналов.

Для количественного определения проницаемости горных пород пользуются линейным законом фильтрации Дарси (по имени открыв­шего его ученого), по которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна перепаду давления и обратно пропорциональна ее вязкости:

где v — скорость линейной фильтрации; () — объемный расход жидкости через породу за 1 с; Р — площадь фильтрации; Н — коэф­фициент пропорциональности, называемый иначе коэффициентом проницаемости породы; [г — динамическая вязкость жидкости; Ар —• перепад давления на длине образца породы; Ь — длина пути, на котором происходит фильтрация жидкости. Коэффициент проницаемости из уравнения (19) будет равен

(20)

Эту формулу применяют при определении в лабораторных усло­виях проницаемости породы по жидкости. При измерении проницаемости породы по газу следует учесть, что скорость движения газа будет увеличиваться по мере прибли­жения к выходному сечению образца вследствие понижения давления и расширения газа. Перепад давлений также будет увеличиваться. Установлено, что скорость массы газа и перепад квадрата давления остаются постоянными по всей длине образца. Поэтому при изме­рении проницаемости породы для газа имеем

(21) 33

3 Заказ 2145

(19)

такие трещины, приближаются к нулю, что обусловливает увеличе­ние производительности скважины после гидроразрыва пласта в несколько раз.

При разрыве фильтрующейся в пласт жидкостью механизм обра­зования трещин можно представить в следующем виде.

В каждой сцементированной горной породе имеются естественные микротрещины, которые под действием горного давления, т. е. давле­ния, создаваемого залегающими выше породами, плотно сжаты. Проницаемость таких трещин весьма незначительна. Под давлением, создаваемым в скважине при нагнетании жидкости, последняя филь­труется в первую очередь по зонам наибольшей проницаемости, в том числе в естественные трещины. При этом между пропластками по вертикали создается разность давления, так как в более прони­цаемых пропластках и трещинах давление будет больше, чем в мало-или практически непроницаемых. В результате возникает усилие, действующее на кровлю и подошву проницаемого нласта; вышеле­жащие породы подвергаются деформации, и на границах пропласт-ков образуются трещины или же расширяются уже имеющиеся микро­трещины.

При разрыве нефильтрующейся жидкостью механизм разрыва пласта становится сходным с разрывом толстостенных сосудов. Образующиеся при этом трещины имеют, как правило, вертикальное или наклонное направление. При разрыве фильтрующейся жидко­стью давление разрыва обычно бывает значительно меньше, чем при разрыве нефильтрующимися жидкостями.

Раньше считалось, что давление разрыва пластов должно пре­вышать горное давление, создаваемое массой пород. Практически оказалось, что чаще всего давление разрыва бывает меньше, чем горное давление, определяемое формулой

(197)

где р_г — горное давление, Па; Н — глубина скважины, м; р — плотность горной породы, кг/м³; § — ускорение свободного паде­ния, м/с².

Причину образования трещин при давлении, меньшем горного давления, акад. С. А. Христианович объясняет пластическими де­формациями глин и глинистых пород в процессе бурения скважин, залегающих в кровле или в самом продуктивном пласте. Предпола­гается, что глины «вытекают» в скважину после их вскрытия под действием лежащих выше пород. Это приводит к возникновению «разгружающих сводов» в зоне пластов, охваченных пластической деформацией, и вследствие этого вертикальное горное давление ока­зывается уменьшенным вблизи скважины.

На практике давление разрыва на забое скважин в большинстве случаев наблюдается в пределах

Рр = 0,15-Ю6Н-н 0,25-106Н [Па].

(198)

Операция гидравлического разрыва пласта состоит из следующих последовательных этапов (рис. 159): 1) закачка в пласт жидкости разрыва для образования трещин в пласте; 2) закачка жидкости-песконосителя; 3) закачка нродавочной жидкости для продавливания песка в скважину.

Для проведения этих операций заранее устанавливают качество и объем рабочей и продавочной жидкости, количество песка и его концентрацию в рабочей жидкости.

Обычно в качестве жидкости разрыва и жидкости-песконосителя применяют одну и ту же жидкость. Поэтому для упрощения терми*-

Рис. 159. Схема гидравлического разрыва пласта.

I — нагнетание жидкости разрыва; II — нагнетание жидкости-песконосителя; III — нагне­тание продавочной жидкости 1 — глины; 2 — нефтяной ст.

пологий эти жидкости объединяют под одним названием — ж и д -к ос ть разрыва. Жидкости разрыва применяют в основном двух видов: 1) углеводородные жидкости и 2) водные растворы. Иногда применяют водонефтяные и нефтекислотные эмульсии.

Углеводородные жидкости применяют в нефтяных скважинах; к ним относятся сырая нефть повышенной вязкости, амбарная нефть, мазут или его смесь с нефтями, дизельное топливо или сырая нефть, загущенные нафтеновыми мылами.

Водные растворы применяют в нагнетательных водяных скважи­нах; к ним относятся вода, водный раствор сульфитспиртовой барды, растворы соляной кислоты, вода, загущенная различными реаген­тами, а также загущенные растворы соляной кислоты.

Выбор жидкости разрыва определяется в основном такими ее параметрами, как вязкость, фильтруемость и способность удержи­вать, зерна песка во взвешенном состоянии.

При слишком малой вязкости жидкости разрыва для достижения давления разрыва требуется закачка в пласт значительного объе­ма жидкости, поэтому необходимо большое число одновременно

21 Заказ 2145

работающих насосных агрегатов. При слишком большой вязкости жидкости для образования трещин необходимы высокие давле­ния, так как с увеличением вязкости растут потери напора при прокачке жидкости по трубам.

Обычно вязкость жидкости разрыва в зависимости от проницае­мости пород пласта выбирают в пределах от 50 до 500 спз (от 0,05 до 0,5 Па-с). В отдельных случаях, особенно при закачке жидкости через обсадную колонну, применяют жидкость вязкостью до 1000, а иногда до 2000 спз (до 2 Па-с).

Удерживающая способность жидкости, т. е. способность удержи­вать песок во взвешенном состоянии, находится в прямой зависимости от ее вязкости.

Жидкость разрыва должна обладать низкой фильтруемостью, чтобы она слабо поглощалась стенками трещины; это дает возмож­ность поддерживать трещины в открытом состоянии и заполнять их песком при малых объемах закачиваемой жидкости и невысоких темпах ее нагнетания. Фильтруемость проверяют на приборе по определению водоотдачи глинистого раствора. Низкой считается фильтруемость менее 10 см³ за 30 мин.

Более вязкие жидкости имеют меньшую фильтруемость. Удовлет­ворительную фильтруемость имеет большинство мазутов при тем­пературе менее 20° С, сырые же нефти в большинстве случаев хорошо фильтруются, поэтому они не рекомендуются для применения при гидроразрыве.

Повышения вязкости и уменьшения фильтруемости жидкостей, применяемых при разрыве пластов, достигают введением в них со­ответствующих загустителей. Такими загустителями для углеводо­родных жидкостей являются соли органических кислот, высокомоле­кулярные и коллоидные соединения нефтей.

Очень низкой фильтруемостью обладают растворы сульфит-спиртовой барды, широко применяемой при гидроразрывах и на­гнетательных водяных скважинах.

Песок для заполнения трещин при гидравлическом разрыве пласта должен удовлетворять следующим требованиям: 1) иметь высокую механическую прочность, чтобы образовать надежные песчаные подушки в трещинах и не разрушаться под давлением пород; 2) сохранять высокую проницаемость. Этим требованиям удов­летворяет крупнозернистый, хорошо окатанный и однородный по составу кварцевый песок. Нежелательно содержание в песке боль­ших примесей полевого шпата, ракушечника, так как они обладают меньшей механической прочностью. Окатанность зерен песка спо­собствует лучшему его проникновению в глубь трещин.

Наилучшими для гидравлического разрыва пласта являются пески с крупностью зерен от 0,5 до 1,0 мм.

Количество песка для закачки в пласт зависит от степени тре-пщноватости пород. В сильнотрещиноватые породы (известняки и доломиты) закачивают больше песка — до нескольких десятков тонн на скважину. Большие количества песка закачивают также и

в рыхлые породы, обычно уже значительно дренированные преды­дущей эксплуатацией и склонные к пробкообразованию.

В пласты, сложенные из песчаников и малотрещиноватых из­вестняков, считается целесообразным закачивать в среднем 8—10 т песка на скважину. В отдельных случаях это количество уменьшают до 4—5 т или, на­оборот, увеличивают до 20 т.

Концентрация песка в жидкости-песко-носителе зависит от ее фильтруемости и удерживающей способности и может коле­баться от 100 до 600 кг на 1 м³ жидкости. Повышать концентрацию выше 600 кг/м⁸не рекомендуется ввиду затруднений при закачке и быстрого износа насосного оборудования.

Технология гидроразрыва пласта состоит в следующем. До начала работ скважину исследуют на приток, определяют ее погло­тительную способность и давление погло­щения. Результаты исследования скважины на приток и данные о ее поглотительной спо­собности до и после разрыва позволяют опре­делять количество жидкости и величину дав­ления, необходимые для проведения разрыва, а также судить о качестве проведенного раз­рыва, об изменениях проницаемости приза-бойной зоны после разрыва.

Рис. 160. Схема распо­ложения подземного обо­рудования при гидравли­ческом разрыве пласта. 1 — обсадная колонна; 2 — насооно-компрессорные тру­бы; 3 — гидравлический якорь; 4 — пакер; 5 — про­дуктивный пласт; 6 — хвос­товик.

Забой скважины очищают от песчаной и глинистой пробки и отмывают стенки скважины от загрязняющих отложений. В ряде случаев перед гидроразрывом це­лесообразно проводить солянокислотную обработку или дополнительную перфорацию. Эти мероприятия снижают давление разрыва и повышают его эффективность. Наилучшим из этих мероприятий является гидропеско­струйная перфорация интервала, намечен­ного для разрыва. При этом все операции по гидропескоструйной перфорации прово­дятся теми же средствами и тем же оборудо­ванием, что и сам гидравлический разрыв.

Примерная схема подземного оборудования скважины для ги­дравлического разрыва пласта приведена на рис. 160.

В промытую, очищенную и проверенную специальным шабло­ном скважину спускают трубы диаметром 89—114 мм, по которым жидкость разрыва подается на забой. Трубы меньшего диаметра для гидравлического разрыва применять не следует,.так как при прокачке жидкости в них возникают большие потери дав­ления.

21* 323

Для предохранения обсадной колонны от воздействия большого давления над разрываемым пластом устанавливают пакер. Пакер полностью разобщает фильтровую зону скважины от ее вышележа­щей части, и давление, создаваемое насосами, передается только на фильтровую зону и на нижнюю поверхность пакера. При огром­ных давлениях, создаваемых при гидравлическом разрыве пласта, на пакер г.аизу вверх действуют большие усилия.

Рис. 161. Схема обвязки

наземного оборудования

при гидравлическом раа-

рыве пласта.

1 — скважина; 2 — агрегаты 4АН-700; а — пескосмеси-тельный агрегат; 4 — вспо­могательные насосные аг­регаты; б — емкости для

жидкости-песконосителя;

в — емкости для жидкости

разрыва и продавочной

жидкости.

Для предотвращения сдвига пакера по колонне при повышении давления на трубах устанавливают гидравлический якорь. При на­гнетании в трубы жидкости давление действует на поршеньки в якоре, выдвигает их из гнезд и прижимает к обсадной колонне. Чем выше давление, тем с большей силой поршеньки будут прижиматься к ко­лонне. Кольцевые грани на торце поршеньков, врезаясь в колонну, будут оказывать тормозящее действие на движение насосно-компрес-сорных труб.

Устье скважины оборудуется специальной головкой, к которой подключаются агрегаты для нагнетания в скважину жидкостей разрыва.

Общая схема обвязки и расположения у скважины оборудования для гидроразрыва приведена на рис. 161.

Порядок работ при гидравлическом разрыве пласта следующий.

1. В подготовленной и оборудованной скважине производят гидро­пескоструйную перфорацию (если это предусмотрено планом работ);

освобождают пакер, вымывают шариковый клапан гидропескоструй­ной насадки; производят вторичную посадку пакера.

2. В трубы закачивают нефть (при обработке нефтяной скважины)
или воду (при обработке нагнетательной скважины) и создают макси­
мально возможное давление. По отсутствию перелива жидкости через
затрубное пространство судят о герметичности пакера.

3. При максимальном числе подключенных насосных агрегатов
в скважину закачивают жидкость разрыва и разрывают пласт. О раз­
рыве пласта судят по резкому увеличению приемистости (поглоти­
тельной способности) скважины. Отсутствие резкого спада давления
в насосах указывает на высокую проницаемость пласта или на су­
ществование в пласте естественных трещин, ширина которых по­
степенно увеличивается по мере нарастания давления.

Резкий спад давления при разрыве пласта, сопровождающийся одновременным увеличением приемистости скважины, происходит при обработке пластов с малой проницаемостью при отсутствии в пласте естественной трещиноватости.

4. Закачивают в пласт песок с жидкостью. Последняя порция
песка в количестве 100—150 кг должна содержать радиоактивные
вещества, чтобы в дальнейшем можно было при помощи гамма-каро­
тажа проверить зоны поглощения песка.

5. Прокачивают в скважину продавочную жидкость при макси­
мальных давлениях, обеспечивающих раскрытие трещин и введение
в них-песка. Для этого к скважине должно быть подключено наиболь­
шее число насосных агрегатов, чтобы достигнуть максимальной ско­
рости прокачки.

Количество продавочной жидкости должно быть равно емкости колонны насосно-компрессорных труб. При прокачке излишнего ко­личества продавочной жидкости она может оттеснить песок в глубь пласта; это приведет к тому, что после снятия давления трещина в непосредственной близости к скважине снова сомкнется, и эффект от разрыва пласта будет сведен к нулю.

6. Снимают давление в скважине и извлекают остаток песка
с забоя (если он там имеется) путем обычной промывки скважины.

На этом операции по гидравлическому разрыву пласта заканчи­ваются: нефтяную скважину сдают в эксплуатацию, а водяную на­гнетательную скважину подвергают поршневанию для вымывания из трещины закачанной вязкой жидкости.

В неглубоких скважинах разрыв пласта обычно проводят без спуска насосно-компрессорных труб или с трубами, но без пакера. В первом случае жидкость нагнетается непосредственно по обсадным трубам, во втором — по трубам и затрубному пространству. Такая технология проведения процесса дает возможность значительно со­кратить потери давления в скважине при нагнетании жидкости с вы­сокой вязкостью.

В скважинах, имеющих фильтровую зону большой мощности или вскрывших несколько продуктивных пропластков, проводят много­кратные поинтервальные гидравлические разрывы.

Многократный разрыв пласта можно осуществлять следующими способами.

1. Проводить гидравлический разрыв по обычной технологии,
а затем в скважину вместе с жидкостью нагнетать вещества, вре­
менно закупоривающие трещину или закрывающие перфорационные
отверстия против интервала разрыва. Это дает возможность вновь
повысить давление и разорвать пласт в другом месте. В качестве
закупоривающего материала используются зернистый нафталин, эла­
стичные шарики из пластмассы и др. При освоении скважин нафталин
растворяется в нефти и удаляется из трещины, а шарики выносятся
потоком на поверхность.

2. Зону, предназначенную для образования трещин, можно каж-
•дый раз разобщать двумя пакерами или гидравлическими затворами
и проводить разрыв пласта по обычной технологии.

3. Осуществлять многократный разрыв с изоляцией нижележа­
щих прослоев продуктивного пласта песчаной пробкой.

В разрезах с большим числом прослоев глин, т. е. с низкой про­ницаемостью по вертикали, весьма желательно создавать вертикаль­ные трещины, соединяющие продуктивные пропластки. Для образо­вания вертикальных трещин применяют нефильтрующиеся жидкости разрыва. Вертикальные трещины могут образоваться также при на­гнетании фильтрующихся жидкостей разрыва с быстрым повышением жидкости и давления на забое.

При гидравлическом разрыве пласта применяют комплекс спе­циального оборудования, в который входят насосные агрегаты, песко-смесительные машины, автоцистерны для транспортирования жидко­стей разрыва, устьевая обвязка, пакеры, якори и другое вспомога­тельное оборудование.

Основным оборудованием являются насосные агрегаты. Промыш­ленность выпускает специальные агрегаты для гидроразрыва, из­вестные под маркой 4АН-700 — агрегат насосный на давление 700 кгс/см² (70 МПа). Насосный агрегат смонтирован на автомашине КрАЗ-257 и состоит из-силовой установки — восьмисотсильного ди­зельного двигателя, четырехплунжерного насоса 4Р-700, развива­ющего давление до 700 кгс/см² (70 МПа) при производительности 6,3 л/с и 200 кгс/см² (20 МПа) при производительности 22 л/с, и другого вспо­могательного оборудования.

Для смешивания жидкости-песконосителя с песком применяются специальные пескосмесительные установки, также смонтированные на автомашинах. Процесс смешивания песка с жидкостью и подачи смеси на прием насосных агрегатов полностью механизирован.

Производительность пескосмесительных установок равна до 100 т/ч песка. Пескосмесительные установки могут приготовлять смесь песка с жидкостью любой заданной концентрации. Концентра­ция песка в жидкости проверяется ареометрами.

Жидкости разрыва перевозятся специальными большегрузными автоцистернами, смонтированными на таких же машинах, что и на­сосные агрегаты и пескосмесительные установки. Автоцистерна 4ЦР

предназначена для перевозки 10т жидкостей. Такая автоцистерна снабжена насосом для перекачки жидкости в пескосмесительную установку.

При проведении гидроразрыва устье скважины оборудуют спе­циальной устьевой арматурой с тремя отводами. Эти отводы при помощи 50-мм гибких металлических трубопроводов соединены с кол­лектором-гребенкой, к которой в свою очередь подсоединяются вы-киды насосных агрегатов.

Подземное оборудование для гидравлического разрыва пласта, как уже отмечалось выше, состоит из пакера для изоляции обсадной колонны и якоря, служащего для восприятия осевого усилия, дей­ствующего на пакер и направленного вверх. Пакеры применяются нескольких типов.